Transformadores eléctricos. Núcleos. Autotransformador.

 

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Transformadores eléctricos. El autotransformador.
 

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Este núcleo tiene la particularidad de aprovechar casi al máximo el flujo magnético, evitándose las pérdidas por dispersión. La forma correcta de armar un transformador , particularmente un transformador de potencia - consiste en montar las chapas, en forma invertida, una con respecto a la siguiente, según se observe en dicha figura 7 . De esta forma se evita el entrehierro o espacio de aire que tanto contribuye a disminuir la permeabilidad magnética del circuito, lo cual se traduce en una pérdida en la intensidad o densidad del campo magnético, que. en caso de unidades de potencia, resulta un inconveniente.

En este tipo de núcleo se efectúa el bobinado de primario y secundario en forma de "galleta", montándose sobre la barra central de la forma como puede observarse en la figura 8 b.

La disposición más usual y conveniente es la de disponer el primario próximo al núcleo, bobinándose sobre éste los restantes devanados. Tratándose de transformadores de potencia, la sección del núcleo es factor primordial para determinar la potencia que ha de disiparse .

Para el caso de transformadores con una disipación máxima de 300 vatios, puede calcularse la sección del núcleo de hierro necesario mediante la fórmula :


donde A es la sección en centímetros cuadrados, y 1,16 un valor constante,

Además de considerar la sección del núcleo, es necesario también tener en cuenta las dimensiones de la ventana, la superficie ocupada por los bobinados, etcétera.

Fig. 8 a - Transformadores con núcleos tipo: (a) toroidal, (b) de columnas, y (c) acorazado

Fig. 8 b - Construcción típica de un transformador de potencia .

Básicamente, un transformador son dos o más circuitos eléctricos acoplados magnéticamente mediante un flujo común, es decir, son dos o más bobinas acopladas. Cuando el transformador está formado por dos bobinas acopladas, como el de la figura 8a (a) , se llama monofásico.

Para conseguir que haya un flujo común entre las bobinas se puede utilizar un núcleo de aire, aunque resulta mucho más sencillo utilizar un núcleo de hierro u otro material ferromagnético (en este caso, el camino a través del aire también existe, aunque el flujo no es común a los dos devanados, y se llama flujo de dispersión). Para que un devanado induzca tensión en el otro, el flujo común ha de ser variable y, para ello, también ha de serlo la corriente que lo cree (con corriente continua constante no se puede inducir tensión).

Una característica del transformador es su reversibilidad, lo cual quiere decir que también se puede alimentar por el lado secundario y ceder energía al lado primario.

La importancia de los transformadores

Debido a que los transformadores pueden cambiar el valor de tensiones alternas,  aumentándolo o disminuyéndolo, son de los elementos electromagnéticos que más se utilizan. Los transformadores juegan un papel muy importante en la distribución de energía eléctrica, pero también se utilizan mucho en los electrodomésticos y en equipos electrónicos. El alto rendimiento que tienen los transformadores también les caracteriza y tiene como consecuencia su aplicación en muchos usos; hay pocas máquinas que tengan un rendimiento tan alto (del 90 por 100 es normal).

Muchos sistemas mecánicos, tales como grúas y tornos, y muchas máquinas, tales como locomotoras y automóviles, sólo llegan hasta el 40 por 100 de rendimiento normalmente.

Debido a esta gran diversidad de usos, hay mucha variedad de tamaños de transformadores, existiendo transformadores de 1 cm en equipos electrónicos y de 5 m en las centrales eléctricas

Potencia en los transformadores

Una máquina hecha de hierro y de hilo de cobre no puede generar energía por sí misma, por lo cual la potencia de salida del transformador no puede ser más grande que la potencia de entrada.

a) Transformador reductor de los que se utilizan en los cargadores de baterías, por ejemplo.
b) Transformador elevador.
e) Transformador de relación 1:1, utilizado para aislar una parte de un circuito de corriente alterna de otra.
d) Transformador con tres devanados secundarios separados: se utiliza para proporcionar las tensiones apropiadas a diferentes componentes en los receptores de televisión y de radio.
e) Transformador de varias tomas: proporciona diversos escalones de tensión; de este tipo se utilizan en las fuentes de alimentación de los laboratorios.
f) Transformador con toma intermedia: se obtienen dos tensiones iguales pero de sentido contrario; se utilizan en rectificadores.
g) Autotransformador: lleva un único devanado, son los más corrientes los de 125/220 V y se utilizan mucho en el hogar.
h) Autotransformador variable: proporciona cualquier tensión de salida hasta un límite máximo de la tensión de entrada

Figura -Tipos de transformadores y sus aplicaciones.

Autoinducción

En cualquier sistema electromagnético en el que haya variación de campo magnético, se inducirá una f.e.m. en todos los conductores que se encuentren cerca, incluyendo los devanados primarios de una bobina de inducción o de un transformador. En la figura siguiente se muestra un circuito sencillo donde aparece esta autoinducción

 

Figura -Demostración del fenómeno de autoinducción.

Cuando se conecta el circuito, la corriente crece lentamente debido a que la f.e.m. inducida en la bobina se opone al crecimiento de la corriente. Al apagar o desconectar el circuito, sin embargo, la lámpara de neón dará un fogonazo. Esto se debe a la variación brusca del campo magnético, que provoca una f.e.m. inducida alta. La lámpara de neón puede necesitar una tensión de 200 V para dar el fogonazo de luz. Si no estuviera la lámpara, se produciría un chispazo grande entre los contactos del interruptor cuando se abre el circuito, y una descarga eléctrica desagradable si alguien los toca accidentalmente.

Una forma de evitar que se genere una f.e.m. inducida muy grande es conectar un condensador de valor elevado en paralelo con el interruptor. En todos los equipos donde haya inducción electromagnética se deben utilizar protecciones de este tipo para evitar que haya chispazos cuando se apagan .

El autotransformador.

Fig. 9 - Representación esquemática de dos tipos de autotransformadores .

Autotransformador con núcleo toroidal

El transformador tipo que hemos estado estudiando ya vimos que posee sus arrollamientos primario y secundario aislados y separados entre sí. Existe, sin embargo, otro tipo de unidad denominada autotransformador, el cual posee solo un devanado actuando como primario y secundario. Un autotransformador es una bobina sobre un núcleo magnético con una toma intermedia.

En la figura 9 A , se representa un autotransformador reductor de tensión, mientras que en B, de la misma figura, se aprecia un autotransformador elevador de tensión .

Si analizamos ambos esquemas. podemos ver que en el caso del auto transformador reductor, parte del primario es el secandario, y en el autotransformador elevador. parte del secundario es el primario.

El principio de funcionamiento de este tipo de unidad está basado también en el "efecto de transformador" que ya analizamos y al propio tiempo por la conducción directa que existe entre primario y secundario. Las ventajas del autotransformador son varias y, entre ellas, el hecho de que para obtener una potencia dada es necesario un núcleo de menor sección con respecto a la sección que se precisaría para un transformador común. El inconveniente es que el autotransformador no aisla al secundario del circuito de línea.

El autotransformador transfiere más potencia del primario al secundario que un transformador construido con el mismo material.

La potencia por inducción es la potencia que el primario del autotransformador transfiere al secundario por efecto del flujo común, es decir, por el efecto de la inducción magnética. Es la potencia que transfiere el transformador a partir del que está construido.

Comparando el autotransformador con el transformador del que procede

- transfiere más potencia;
- el rendimiento es mucho mejor, (con las mismas pérdidas transfiere más potencia);
- tiene una tensión de cortocircuito pequeña, lo que plantea el inconveniente de que la corriente en caso de cortocircuito es elevada;
- no tiene aislados primario y secundario;
- aunque cuesta aproximadamente el mismo dinero que el transformador (ambos tienen el mismo material), puede transmitir más potencia.

Comparando un autotransformador con un transformador de la misma potencia

- tiene menores reactancias de dispersión, ya que el flujo de las primeras espiras del primario está completamente concatenado por las espiras del secundario (son comunes);
- tiene menores pérdidas de potencia, pues en las espiras en común del primario y del secundario sólo circula una intensidad, mientras que en el transformador circula por un lado Ip y por el otro Is
- necesita menor corriente de excitación, al poder ser el circuito magnético de menor longitud, o sea de menor reluctancia;
- es de menor tamaño, emplea menos hierro y cobre, por lo que cuesta menos dinero cuando la relación de transformación no es muy diferente de 1:1; y
- presenta la desventaja de no tener aislados los devanados.

Por todo ello, el autotransformador puede ser una opción válida para relaciones de transformación próximas a la unidad cuando no sea imprescindible tener aislados galvánicamente primario y secundario.

Cuando la toma intermedia del autotransformador se puede variar, se tiene un autotransformador variable, que es muy utilizado en laboratorios para la regulación de la tensión.

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